大功率LED鐵路信號燈的設計和應用

張立杰

內蒙古包鋼鋼聯股份有限公司運輸部，內蒙古 包頭 014010

0 引言

鐵路信號燈包括小功率發光二極管及雙絲白熾燈。在實際使用中，雙絲白熾燈存在一些不足，容易增大相關設備維修人員的工作量，而且光的強度也較低，使用壽命較短。因此，在我國鐵路和城市地鐵中，主要使用小功率發光二極管作為光源，其有著節能、性能穩定等優勢。然而，為了滿足信號燈的光亮度指標以及光效性等方面的要求，需要應用大功率LED鐵路信號燈，采用大功率LED鐵路信號燈是保證鐵路信號設備穩定運行的基礎。在此過程中，相關工作人員需要選用具有優異性能的光源器件，以此保證信號燈的安全使用，并實現信號燈的故障報警。

1 大功率LED鐵路信號燈的應用優勢

大功率LED鐵路信號燈（見圖1）具有較高的光效，而且無色變，有著集中的光源和良好的色飽和度，同時信號燈的使用壽命也較長。使用大功率LED信號燈，可以滿足鐵路信號燈光強度、燈色坐標及發光散角等方面的標準與要求，并與當前的信號燈機構配套使用，可以減少現場的設備更換量。在研制紅色、藍色、綠色、黃色及月白色等各色光源后，還應合理設計光源的安裝機構與結構，采用主副光源結構，從而有效轉換主副光源，并實現主絲的斷絲報警功能，彌補小功率LED信號燈存在的缺陷，滿足鐵路信號燈的實際使用要求。與此同時，通過設計底座和現場信號機構、光源體支架恒流供電、電壓門線控制方式等，可以改進大功率LED鐵路信號燈的性能，完善其功能，從而全面滿足鐵路信號燈的現場作業要求[1]。

圖1 鐵路信號燈

2 大功率LED鐵路信號燈的關鍵技術

LED屬于場致發光光源，是一類半導體器件，能夠將電能轉化為光能；將大功率LED作為鐵路信號燈的發光光源時，采用成熟的封裝技術及熱管技術，可以保證信號燈光源的熱量散發，延長鐵路信號燈的實際使用壽命；通過應用防雷及抗電磁干擾等技術，可以提高大功率LED鐵路信號燈的抗干擾性能，更好地滿足鐵路電氣化運行的相關要求[2]。

2.1 LED發光技術

LED的電特性和普通二極管相同，其發光部位主要位于PN結兩端，當通路中有正向電壓時，P區中的空穴會流入N區，同時N區中的電子會流入P區。在此過程中，多數載流子在與少數載流子發生重合后會釋放能量，此部分能量會轉化成熱能與光能。以LED作為信號燈光源，具有十分顯著的優勢。LED主要使用直流低壓電源，其供電電壓維持在6～24 V，對比同光效的白熾燈，其能耗減少了80%，屬于節能型器件；LED燈具的使用壽命較長，一般能夠使用100 000 h。

如今，在國際范圍內相對成熟的LED單芯片的功率能夠達到3 W，但顏色種類較少，無法滿足鐵路交通信號燈的使用需求；當LED芯片的功率為1 W時，其產品具有穩定性能，而且顏色種類也相對豐富，通過相關技術的支持，可以滿足鐵路交通信號燈的使用需要。

鐵路信號燈的光源顏色主要包括白、綠、藍、黃、紅五種[3]，而在大功率LED鐵路信號燈中，在研制綠、藍、黃、紅這四色光源時相對順利，但研制白色光源時有較大難度。依據人們在可見光方面的研究，人眼能夠看到的白光至少應為兩種光混合（如黃色光和藍色光混合），也就是二波長發光；也可以為三波長發光模式，包括紅色光、綠色光及藍色光。采用以上兩種模式，均能制造白色光。通過熒光粉與藍光技術的配合，可以形成白光，進而制造白光芯片。但通過檢測可以發現，常規LED白色發光材料發出的白色光譜無法滿足鐵路信號燈對白色光的光譜需求，因此，還需要進一步加大研究力度。在剖析LED的發光原理后，可以發現涂層材質與厚度對LED的色彩和發光光譜具有重要影響。通過反復試制芯片涂層材料以及對涂層厚度展開相關試驗，可以研制得到大功率LED白色光源[4]。

2.2 LED散熱技術

一般情況下，大功率LED光源的部件溫度對器件壽命、出光效率及發射波長等會產生直接影響，需要加大對溫度的控制力度，確保溫度維持在允許范圍內。LED作為場致發光光源，在加上電壓后會有熱能及光能產生，在點亮大功率LED信號燈的光源時會產生高溫。通常情況下，LED的發光波長會隨著溫度的變化而改變，還會對其光譜寬度、顏色的鮮艷度產生影響；在PN結處有正向電流流過后會產生發熱性損耗，進而導致PN結區出現溫升現象。在室溫環境條件下，每升高1 ℃，LED發光強度將會減少1%左右。要想保證LED色度的穩定性，延長其使用壽命，就需要嚴格控制發光體溫度。

具體來說，研究人員可以采用表貼封裝技術及熱管技術來解決芯片散熱問題，維持LED光源相關技術指標的穩定性。其中，熱管可以利用氣液變化期間的吸放熱過程，使熱管具有良好的導熱能力。在實際應用熱管技術時，主要通過工作流體的冷凝和蒸發過程傳遞熱量。熱管的工作流體包括低溫狀態下應用的氮與氦，以及高溫狀態下應用的鉀與鈉等液體金屬。通常來說，比較常見的熱管工作流體包括甲醇、水及氨等。熱管的組成部分包括端蓋、吸液芯及管殼。研究人員可在管內設置較高的真空度，并在其中充入適量的工作流體，確保毛細多孔材料中充滿液體，然后對其有效密封。結合封裝的LED芯片與熱管，利用散熱片，可以傳遞LED芯片中的熱量，解決芯片的散熱問題[5]。

2.3 抗電磁干擾技術

如今，隨著科學技術的快速發展，電子設備日益普及，但同時產生了嚴重的電網噪聲及射頻干擾問題，尤其是瞬態噪聲干擾，其持續時間較短，具有較快的上升速度，而且電壓振幅較高，有著較強的隨機性，會嚴重干擾電子設備的運行。對此，應提高信號設備的抗干擾性能。具體來說，在設計大功率LED鐵路信號燈的電路時，應在燈絲變壓器的電流整流和次級輸出間增設一級抗電磁干擾濾波器，以此抑制電網噪聲，提高電子設備的運行可靠性和抗干擾能力，避免干擾其他電子設備的正常運行。

2.4 防雷電技術

在電源電路的防雷基礎上，需要增設防雷單元，具體來說，需要由防雷管、壓敏電阻及瞬態抑制二極管共同組成相應的三級保護系統，降低雷電及浪涌對設備造成的沖擊。

3 大功率LED鐵路信號燈的設計

在設計大功率LED鐵路信號燈時，應保留原信號燈的菲氏組合透鏡，使用無色透鏡，從而解決有色透鏡在外部強光照射時出現的反射問題，提高信號燈的使用效果和安全性；對于點燈監督裝置，其光源驅動電路應采用電壓門線控制模式及恒流供電設計，以此解決由于負載變化與輸入電壓波動等引發的信號燈故障問題。

3.1 光源結構設計

3.1.1 主副光源結構的設計

為了維持信號燈的穩定運行，需要合理設計主副光源結構。具體來說，設計人員應在鐵路信號燈的光源位置同時設置主光源和副光源。其中，副光源作為備用光源。一旦主光源出現故障問題，可及時轉換到副光源，從而維持信號燈的繼續使用，保證列車運行的安全性。

3.1.2 菲氏組合透鏡的應用

結合鐵路信號燈光源結構，內梯與外梯透鏡和光源劑可以共同組成信號燈機構。在符合相關標準的基礎上，為了減少LED芯片的使用量，使LED芯片的發光能夠最大限度地在外梯透鏡上聚集，需要在對LED芯片進行封裝時合理應用聚集透鏡。與此同時，還需要將外梯的有色玻璃透鏡替換為透明無色的外梯透鏡，從而使光源的色彩具有較高的真實性，避免外部強光照射時小功率LED的大面積光源反射現象。為了維持主光源和副光源的光效，需要對組內芯片采取橫向排列的方式，使兩組光源能夠保持上下橫向排列，從而全面提升應用效果[6]。

3.2 信號燈監督裝置設計

信號點燈監控裝置可為信號燈的正常運行提供電源，并監督其工作狀態。一旦信號燈受到損壞而熄滅，點燈監督裝置可及時將信號燈切換到備用燈，并發出故障警示，使維修人員能夠及時到場開展維修更換工作。結合鐵路信號的維修規定，點燈監督裝置在匹配信號燈后還需要具備主副絲轉換、電源監督及主燈絲斷絲報警等功能，并且要考慮抗干擾及供電電源波動等相關因素，使點燈監督裝置的運行可靠性得到保證。

高柱信號機桿中的電源線會產生分布電容，進而干擾光源的點燈電路，為了隔離此干擾，需要在光源驅動電路中將燈絲變壓器的次級輸出作為控制電源的輸入，并以繼電器斷開接點作為相應的主絲故障報警輸出。在整流燈絲變壓器次級輸出交流電壓后，能夠獲得脈動直流電壓，之后經過電解電容的補償與濾波，可以輸出較為平滑的直流電壓。在此過程中，需要應用精密穩壓集成電路，消除輸入電壓的波動及負載變化導致的電壓不穩現象，輸出穩定的直流電壓。此集成電路具有過流、過壓及過熱等保護功能，可通過電壓門限控制模式和恒流供電解決相關的信號燈故障問題[7]。

3.2.1 恒流供電技術

在LED上流過的電流對其發光亮度的一致性及穩定性具有直接影響，而且溫度與使用時間也會直接影響LED的使用壽命。在實際采用大功率LED信號燈時，應采用恒流供電技術，其不僅耐沖擊，還具有較強的抗干擾能力。

3.2.2 門限控制技術

為了防止電氣化牽引電流對電路造成的干擾，應采用門限控制技術，當電壓值達到相關標準后，可接通燈絲回路，保證點燈的正確性。

3.3 支架和底座的設計

在鐵路信號燈的支架和底座裝載光源體，支架和底座與鐵路信號燈燈箱保持相互絕緣的關系，能夠和現有信號機構實現互換。通過移動支架和底座，可以調整光源焦距，其移動方向主要包括上下、前后、左右。與此同時，在支架上設置相應的檢測按鈕，能夠檢測主副光源的轉換功能。在支架上安裝螺桿，可方便光源體的安裝和更換，使其能夠與支架有效連接。除此之外，還可在支架上安裝另一組螺桿，確保信號及點燈電源能夠有效接入[8]。

4 結束語

綜上所述，為了保證鐵路信號設備的穩定運行，需要充分研究與開發大功率LED鐵路信號燈，其具有明顯優勢，而且在許多領域具有廣闊的應用前景，如城市交通、民用、軍事及航空等相關領域。研究人員應針對大功率LED鐵路信號燈開展研究工作，從監督裝置、光源研制等方面合理優化大功率LED鐵路信號燈的設計，完善其具有的功能。